我們已經知道系外行星確實是存在的，但到底有多少恆星有行星環繞？這些行星裡有像我們的地球一樣的行星嗎？甚至，會有哪個行星上有生命居住嗎？
新世界的大門已經打開，但想要繼續探索還需要招募一位勇敢而勤奮的獵手——從20世紀90年代，科學家們就開始規劃一顆專門用來搜索系外行星的探測器，這就是後來的克卜勒探測器[1]。
然而，一方面是技術和精度上的限制，一方面是經費上的捉襟見肘，這個系外行星搜尋提案屢次被否決。直到2000年，屢經修改後的克卜勒任務第5次提案終於在26個候選提案中脫穎而出，被NASA的知名摳門項目Discovery項目選中......和另外兩個提案一同參加下一輪三進二的選拔…...
2001年12月，克卜勒探測器最終被選中成為Discovery項目的第10個任務，獲得了3億美元的預算支持（最終花費了5.5億美元）。值得一提的是，同時被選中的另一個任務就是探索小行星帶的黎明號探測器，兩顆探測器原計劃都是在2006年發射[2,3]，但由於預算的問題，兩顆探測器都沒能如期發射，而是分別延遲到了2009和2007年。
2009年3月7日，幾經坎坷的克卜勒探測器終於在美國佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。
搭載克卜勒探測器的德爾塔II火箭點火。來源：NASA[4]
這顆以克卜勒三定律的提出者，偉大的天文學家約翰內斯·克卜勒命名的探測器，職責是持續搜尋新的系外行星。
而它更大的野心是：尋找地球的同類。更準確地說，是尋找太陽這類的恆星周圍有多少和我們的地球差不多大，又位於宜居帶中的巖質行星。
勤奮搜尋
在克卜勒任務正式通過之前，人們只發現了大約80顆系外行星，而且全部都是類似木星那樣的氣態巨行星，這是因為越大的天體越容易被發現。而克卜勒探測器則把目標提高到了能探測到和地球差不多大甚至更小的天體。
為了達到這個目標，克卜勒探測器採用了一種簡單粗暴的搜索方法——「凌日法」。
凌日法的原理很簡單：
一顆恆星發出的光如果沒有遮擋的話應該會始終都一樣亮，也就是說，亮度曲線是一條直線。
但當有行星飛過時，會遮擋一部分恆星的光，那麼在這段時間裡觀測到的恆星亮度會變小。當行星飛過之後，會在恆星的亮度曲線裡留下一個U型缺口。
為了找到這些「缺口」，克卜勒需要始終盯著同一片天區反覆觀測，然後對比觀測數據中的亮度變化。而且發現一次「缺口」還不夠，同樣的凌日事件重複觀測到3-4次以上，才能最終確認確實有一顆系外行星。
因此，克卜勒探測器的設計軌道是一個環太陽軌道，而且在環繞太陽的過程中始終朝向同一個方向。這個軌道的平均半徑和地球軌道半徑相當，但不在黃道面上的，以免受到太陽光的影響。
克卜勒探測器第一階段的軌道和指向。來源：維基
不知道細心的你有沒有發覺，克卜勒探測器發現的許多行星都是位於天鵝座方向的，那當然不是因為這個天區的行星特別多，而是因為在最開始的四年，克卜勒探測器始終只指向天鵝座和天琴座那一片方向，總計追蹤的恆星超過15萬顆。
克卜勒探測器第一階段持續觀測的天區：天鵝座（Gygnus）和天琴座（Lyra）方向。來源：維基
在克卜勒任務的頭四年裡，這顆探測器就這樣日復一日年復一年地在這片天區裡搜尋著，積累了大量的探測數據寶藏，留待科學家們慢慢挖掘。
再煥新生
克卜勒探測器原本的設計壽命只有3.5年，這也是Discovery項目的平均壽命。然而，由於克卜勒探測器的實際探測精度沒有達到原本的預期，項目組的評估認為克卜勒探測器必須持續觀測到2016年才能達到原本的任務目標。不過好在克卜勒也確實運行良好，因此2012年11月，NASA正式宣布克卜勒初期任務結束，開始長達4年的拓展任務[6]。
然而，這個如意算盤沒有持續多久，因為克卜勒遇到了和黎明號一樣棘手的問題——動量輪開始相繼壞掉了。
克卜勒和黎明號一樣，都是用動量輪控制探測器的姿態的。克卜勒可以一直保持環繞太陽的運行，這不需要動力來維持軌道，但如果想要始終保持指向同一個方向觀測，卻需要不斷調整自己的朝向——最起碼需要三個動量輪才行（三個垂直的方向各一個）。
也和黎明號一樣，克卜勒也帶了四個動量輪，也就是說，壞一個是沒有關係的。因此當2012年7月14日第一個動量輪壞掉的時候，科學家們依然認為克卜勒探測器是健康的，是可以繼續正常工作的。
然而好景不長，2013年5月11日，拓展任務開始才半年，克卜勒探測器的第二個動量輪也壞掉了[7]。雖然在短期內，克卜勒可以向黎明號一樣採用推進劑+動量輪的混合模式來維持原本的姿態，但在對動量輪嘗試修理無果之後，NASA還是認為這不是長久之計。
2013年底，一個名叫K2的觀測方式被提出，K2的意思是「克卜勒的第二春」（Second Light）。這個創造性的觀測方案提出利用太陽光壓配合兩個還能工作的動量輪維持姿態穩定，而同時隨著太陽角度的變化，大約每80天就要利用推進劑調整一次姿態，以重新達到與太陽光壓的平衡角度。也就是說，克卜勒探測器將會以約80天為周期觀察不同的天區（每個區域的觀測稱為一個campaign field）[8]。
K2方案在2014年5月16日正式投入使用，這意味著克卜勒探測器續命成功，進入了一個嶄新的階段。
2014-2018年克卜勒K2階段一共觀測了20個測區（包括測試周期）。來源：NASA[9]
但強行續命終究是不可持續的。和黎明號一樣，克卜勒探測儀也同樣免不了油盡燈枯的宿命——一旦燃料耗盡，就意味著克卜勒任務的終結。
頑強的克卜勒又硬生生撐了好幾年。
更令人揪心的是，克卜勒的最後一程讓人悲欣交集、提心弔膽，尤其是進入K2的第17個觀測周期，燃料已經開始見底之後——每一次姿態調整，都是一趟鬼門關，撐過這一次，又能多活80天。
終於，在2018年9月26日完成K2的第19個觀測周期並成功傳回數據之後，克卜勒沒能再開啟第20個觀測周期。
2018年10月30日，NASA正式宣布克卜勒探測器耗盡燃料，任務結束。
而18年前一起獲批的黎明號探測器，也在一直掙扎在油盡燈枯的邊緣之後，於2018年11月1日耗盡燃料，結束任務。
誰也不會想到，兩顆探測器會以這樣一種奇特的緣分相伴走到生命的最後一刻。
戰功赫赫
在2001年底，克卜勒任務正式通過之前，人類只發現了約80顆系外行星。
而到了2018年底，人類已經確認發現了約3800顆系外行星——其中有2662顆都是克卜勒探測器發現的，佔了70%。
9年多的飛行，觀測了53萬多個恆星系統，確認發現了2662顆系外行星。來源：NASA[10]
克卜勒探測器告訴我們，系外行星是普遍存在的，類地大小的行星也是普遍存在的；克卜勒探測器也告訴我們，行星系統可以有多麼豐富多彩，傳統的行星形成理論可能亟需修改——我們以為是典型的太陽系，只不過是其中一種情況罷了。
豐富多彩的系外行星假想圖。來源：NASA
同時，克卜勒探測器留下的海量數據也是一筆巨大的寶藏，留待科學家們在接下來的幾十年裡慢慢發掘，比如去年底發現的第一個和太陽系一樣擁有八顆行星的Kepler-90，就是挖掘舊數據找到的。
擁有8個行星的克卜勒-90，其中克卜勒-90i是去年新發現的。來源：NASA
但另一方面，不可否認克卜勒也確實留下了一些遺憾。
克卜勒的探測相對而言是粗糙的——測光精度不高，信噪也不高，許多觀測結果需要和精度更高的哈勃或者其他空間望遠鏡相配合才能得到確認。
克卜勒的終極追求——對「宜居地球」的追尋也還沒有得到確定的答案。
確實，克卜勒發現了很多質量和地球相當的巖質行星，也發現了很多位於對應恆星宜居帶中（也就是溫度不冷不熱可以允許液態水在表面穩定存在）的行星。但同時滿足要求的並不多[11]：
比地球小的巖質行星克卜勒-20e，太熱了不在宜居帶中；
位於太陽類恆星的宜居帶中的行星克卜勒-22b，太大了很可能沒有固態表面；
大小和地球相當、有固態表面、位於宜居帶中的中的行星克卜勒-186f，環繞的恆星卻是一顆紅矮星，大小和質量都只有太陽的一半，溫度也比太陽低得多；
……
一些可能的宜居行星假想圖。來源：NASA Ames/W. Stenzel [11]
但很難因此而否定克卜勒的功績。作為人類第一顆職業行星搜尋探測器，克卜勒就像一個裝備簡陋的獵手，在人類探索太陽系外的洪荒歲月裡，單槍匹馬地一頭扎進了宇宙的黑暗森林之中——我們實在沒有理由去責怪獵槍的質量太差。
結語：薪火相傳
結束任務後的克卜勒探測器，還會繼續停留在環太陽軌道上，只是永遠沉睡了。
慶幸的是，克卜勒探測器的繼任——NASA的凌日系外行星巡天衛星TESS已於今年4月發射升空，接過了克卜勒探測器的火炬，而且短短幾個月就已經發現了3顆系外行星。
TESS探測器的假想圖。來源：NASA
薪火相傳。來源：NASA
再然後，還有以詹姆斯·韋伯號為首的許多空間望遠鏡會在接下來的數年裡相繼發射，以不同的方法和視角去探索系外行星的方方面面——這些新的獵手們一定會給我們帶來更多更好的驚喜。
但克卜勒的地位依舊是不同的。
是發現了2600多顆系外行星的克卜勒探測器，真正讓我們開始以全新的視角看待星空——
曾經，那只是一個個遙遠而陌生的亮點；
而現在，我們知道那一個個亮點裡，也有著和我們的太陽系一樣甚至更加豐富多彩的行星甚至衛星世界。
紀念克卜勒探測器退役的作品《A New View of Our Starry Night》。來源：NASA [13]
再見克卜勒，感謝你告訴我們不孤獨。
參考文獻：
[1] NASA | A Brief History of the Kepler Mission
[2] NASA | NASA AMES』 KEPLER MISSION SELECTED FOR DISCOVERY PROGRAM
[3] NASA | JPL Asteroid Mission Gets Thumbs Up from NASA
[4] NASA | Kepler's Launch
[5] NASA | Exoplanet and Candidate Statistics
[6] NASA | NASA's Kepler Completes Prime Mission, Begins Extended Mission
[7] NASA | Kepler Mission Manager Update
[8] NASA | K2 Campaign fields
[9] NASA | Kepler Mission Manager Update: K2 Has Been Approved!
[10] NASA | Kepler By the Numbers – Mission Statistics
[11] NASA | Searching for Habitable Worlds
[12] Mullally, F., Thompson, S. E., Coughlin, J. L., Burke, C. J., & Rowe, J. F. (2018). Kepler’s Earth-like Planets Should Not Be Confirmed without Independent Detection: The Case of Kepler-452b. The Astronomical Journal, 155(5), 210.
[13] NASA | A New View of Our Starry Night
本文來自微信公眾號：永結無情遊相期邈雲漢（ID：haibaraemily_planets），作者：haibaraemily，出品：科普中國，監製：中國科學院計算機網絡信息中心。